【正文】 老年助行機器人結構設計畢業(yè)論文第1章 緒論 課題背景據(jù)全國老齡辦的研究報告顯示當前中國已進入快速老齡化階段。在這一階段，中國平均每年將新增596萬老年人口，到2020年。伴隨老齡化過程最為顯著的特征就是由于身體機能衰退而引起的行走能力下降，這嚴重影響了老年人的日常生活質(zhì)量口J。與此相對的是目前廣泛使用的助行設備(如，拐杖、助步架等)功能比較單一，智能化程度低，安全性和舒適性都不足，無法滿足使用者獨立生活的需求。因此，將機器人技術應用于傳統(tǒng)的助行設備領域，設計更智能更舒適更安全的助行機器人系統(tǒng)有著必要性。 國外助行機器人的研究 愛爾蘭PAMAID 助行機器人愛爾蘭Shane MacNamara等開發(fā)了叫PAMAID 的助行器，PAMAID 的項目是在1994 年與愛爾蘭首都都伯林開展的，項目旨在幫助一些視力和體力不太好的患者步行。由于視力受損而且體力有限極大的限制了一個人的移動自由，其提供了一個更為安全和享受的步行經(jīng)歷。項目由特瑞擬題基金、國家康復管理委員會和歐盟信息通訊應用贊助。這個助行機器人在2000 年才首次作為商業(yè)用途制造出來，其中有5 個機器人被美國老兵事務部購買。機器人底盤有四個輪子，其中由兩個電機分別單獨驅動前輪，而且電機只負責改變輪子轉向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉向半徑很小。機器人底盤有四個輪子，其中由兩個電機分別單獨驅動前輪，而且電機只負責改變輪子轉向，并不提供任何動力。兩前輪之間沒有連桿相連，轉向半徑很小。機器人帶有自動導航系統(tǒng)，可以有效地在傳感范圍內(nèi)避障，包括靜止和移動的障礙物，能有效地保障用戶的安全。圖11 PAMAID 美國SmartCane 助行機器人這種機器人的研制主要是為了滿足盲人行走障礙，而不再是在PAMAID 中所設計的為了滿足一些實力受損或者體力不好的用戶。盲人如果想使用一般助行器必然會遇到很多困難，為了提供智能輔助行走，感知功能和健康檢測系統(tǒng)，美國Dubowsky 等人于1999 年研發(fā)了PAMM 系統(tǒng)。Smartcane 機器人只適用于在一般的平地或者小于五度的斜坡上行走，比一般的4 點支圖12 Smartcane助行機器人撐拐杖能提供更好的平衡性，而且機器任課以通過系統(tǒng)地圖，用戶指令，感知的障礙來提供目的地行走指導。機器人還提供了包括健康檢測功能和與管理員電腦通訊的功能。機器人的尺寸很緊湊和穩(wěn)定，重量不超過15 公斤,運行速度從0 ，在垂直方向 提供的支撐力為50 公斤，在其他兩個方向提供的支撐力為4 公斤左右。機器人上帶有電池，可以供給機器人連續(xù)8 小時運行。機器人還具有計算功能，足夠滿足機器人路徑規(guī)劃，控制，健康檢測和通訊功能。機器人身上帶有聲學和視覺傳感器，用來檢測障礙物，提供行走輔助。機器人是通過力覺手柄和聲音來傳遞給機器人命令的，價格不超過5000 美金，的確是可以作為盲人的經(jīng)濟實惠的一款機器人。 韓國WAR 助行機器人由韓國理工大學的Shim等人與2004年研制開發(fā)出WAR（walking assistantrobot）助行機器人主要是用于幫助老年人在戶外行走的一款有別于以往一般只能在戶內(nèi)比較平坦地形行走的步行機器人。WAR 助行機器人不僅具有輔助支撐和行走功能，還具有輔助升降機構。升降機構是傾斜上升，可以減少用戶在站立時膝蓋負載，對一些體力不足的老年人特別有用。這個樣機還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶的身體，保護用戶安全，不用擔心向前傾倒。機器人高度為1m，并且可以調(diào)整。機器人還具有障礙物檢測和避讓功能，通過觸摸手柄讓感知用戶意圖。此種助行機器人比一般助行器輔助行走更簡單，通過GPS/GIS 導航系統(tǒng)來尋找路徑。目前這種機器人已經(jīng)投入生產(chǎn)，并且已經(jīng)證實具有比較好的助行效果，不過目前并沒有大規(guī)模生產(chǎn)，這種助行機器人仍舊還需要進行很多的改進。圖13 WAR 助行機器人 日本助行機器人 豐田汽車于2008 年8 月1 日宣布，開發(fā)出了站乘型助行機器人“Winglet”。 2007 年發(fā)布的坐乘型機器人“MOBIRO”主要以老年人為對象，而Winglet 則設想用于較為年輕的人群。不過，二者使用的前提均是人行道圖14 HITACHI 助行機器人和樓內(nèi)等適合步行的場所。機器人的尺寸為:265464462mm， 千克，最高速度6 km/h，充電時間1 小時，可巡航5 km。機器人采用便攜式設計。配備有角度傳感器,陀螺傳感器和車輪速度傳感器，可根據(jù)駕駛狀態(tài)用兩個輪子穩(wěn)步行走。前進與后退方面，通過檢測身體重心的前后移動來實現(xiàn)。另外，機體內(nèi)部采用平行鏈構造，通過左右移動重心時平行鏈向一側傾斜來檢測駕駛者的轉意向。通過左右車輪轉速的不同實現(xiàn)轉彎。更換機體上部的操控桿，可變換成“Type S”、“Type M”以及“Type L”三種類型。Type S 和M 為用雙腳夾住機身不用雙手即可操控、Type L 是用雙手握住操控桿進行操控的類型。三種類型均配備有鋰離子充電電池，充滿電需要1 小時。最高速度為6km/h。重量方面，Type S 、Type M 和L 。行駛距離方面，Type S 為5km、Type M 和L 為10km。日本W(wǎng)aseda 大學于2006 年研發(fā)成功HITACHI 助行機器人。 可穿戴的外骨骼式助行機器人韓國科學家KyoungchulKong等研發(fā)的可穿戴的外骨骼式助行機器人。外骨骼式的結構，很好地解決了患肢運動過程中的支撐問題，其硬鋁材質(zhì)的雙邊結構不僅在保持剛性的 前提下大大的減輕了機器人本體的質(zhì)量，并且為監(jiān)測上肢肌肉運動狀態(tài)時的電極放置提供了便利．機器人的設計從解剖學的角度出發(fā)，模仿人體的上肢運動，并支持恢復機體功能的專業(yè)訓練治療。機器人共采用4 個Maxon 電機來帶動人體踝關節(jié)，膝關節(jié)和髖關節(jié)運動，能夠提供動力給人體，調(diào)節(jié)人體下肢姿態(tài)。其中光電編碼器用來讀取裝置的位置信息，力矩傳感器獲取運動過程中的關節(jié)力矩變化。此機器人采用氣動執(zhí)行器來驅動其升降機構。采用四輪驅動以提供足夠動力驅動平臺，必要時可以引導用戶行走。圖15 可穿戴的外骨骼式助行機器人 國內(nèi)助行機器人的研究 多功能助行機器人哈爾濱工程大學的學生研制出一種多功能助行機器人。這種助行機器人實用性強，能幫助截癱患者或行走功能障礙患者進行行走功能康復訓練和減重訓練，還可作為患者日常生活中的代步工具。它基于繩驅動、輪驅動和腿部行走機構共同作用的綜合訓練平臺，同時根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡來模擬正常人行走時大腿末端軌跡，最后通過單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)腿部行走機構與驅動輪的協(xié)調(diào)運動控制，總體可實現(xiàn)室內(nèi)外移動、走步訓練、起坐等功能，幫助殘疾人實現(xiàn)邁步動作，達到訓練下肢目的。它主要在于提供一種既具有一般輪椅的通用性又能夠幫助截癱患者或行走不便病人圖16 多功能助行機器人 行行走鍛煉、有利于殘疾人自主進行腿部康復訓練并能進行減重訓練、下肢關節(jié)和肌肉的運動訓練等康復訓練功能，起坐、下蹲（坐沙發(fā)、上廁所）等生活技能訓練的一種多功能助行機器人。可以用于先天性腿部殘疾以及由腦血栓后遺癥、脊髓損傷、腦性麻痹、肌肉萎縮、意外事故等。引起的后天性腿部殘障，截癱或偏癱患者的腿部訓練。同時多功能助行機器人具有動力源，采用雙輪差動驅動，殘疾人可以隨著機器人的前行而進行走步鍛煉。腿部行走機構根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡模擬人走步時的大腿末端軌跡，隨著機器人移動，行走機構給殘疾人腿部一定的推力，幫助殘疾人雙腿實現(xiàn)邁步動作，并且滿足正常人行走時雙腿的180176。相位差，使殘疾人更好的完成走步訓練。我國短時間內(nèi)“銀齡”群體的急劇膨脹對老年人助行器設計的“質(zhì)”與“量”提出更高的要求。歐美與日本等地區(qū)此類產(chǎn)品的研究起步較早，針對老年人運動障礙程度不同與生活環(huán)境差異，運用現(xiàn)代高科技設計、研發(fā)各類型老年人助行器。20 世紀逐漸發(fā)展起來的中國老年人用品市場與歐美市場形成相當?shù)姆床?，老年人助行器的開發(fā)與設計剛剛開始，尚處于培育期，與其中很多是普遍適用型產(chǎn)品，真正為老年人量身定做的助行器種類很少，生產(chǎn)廠家較少，產(chǎn)品種類缺乏，現(xiàn)有產(chǎn)品的安全性與使用效果都很難達到老年人要求。與國外日美韓相比仍有較大差距，目前來說在國內(nèi)尚沒有形成很有體系的研發(fā)高?；蛘哐芯繂挝?，有一些研究仍舊停留在實驗室的階段，還未達到實用階段，要形成成熟并且能夠讓大眾接受還有一段很遠的距離。不過隨著國內(nèi)863 計劃重大項目對助行機器人的重視，國內(nèi)助行機器人的研發(fā)必將大踏步追趕。由以上的介紹可以看出，目前國內(nèi)外對助行機器人的研究近年已經(jīng)非常熱門，而且在國外逐餞行成比較系統(tǒng)的研發(fā)系統(tǒng)，甚至部分已經(jīng)進入試驗或者試用階段，已經(jīng)得到不少用戶的認可。不過在行走支持技術等領域，需要解決移動靈活性、能源高效化、便攜性和多種路面適用性等技術難題。在輔助導航技術方面，需要開發(fā)更準確可靠的導航系統(tǒng)，包括定位、路徑規(guī)劃和系統(tǒng)控制，并賦予機器人學習能力，能夠獲取用戶的個性特征，自動適應用戶的行為，來提高用戶的舒適度。39第2章 助行機器人總體設計方案 第2章 助行機器人的總體設計方案突破助老/助殘機器人的行走輔助關鍵技術，結合助行任務的功能要求，實現(xiàn)各項關鍵技術的演示驗證，概念樣機的技術指標達到國際先進水平。本課題將解決總體目標中的行走輔助技術難題，為各類性質(zhì)輔助系統(tǒng)提供標準移動平臺。因此在助行機器人研制中要充分考慮與操作臂和其它傳感器的集成需要。目前情況下，不管是在國外還是在國內(nèi)研制的助行機器人，大部分都只能在室內(nèi)環(huán)境運行，對地面平整度要求很高，即使少數(shù)可以在室外運行的助行機器人也還未到很成熟的階段，但是對于使用者來說，一款助行器如果只能在有效而且嚴格的使用環(huán)境下使用的話，必然沒有什么太大的實用價值。對于使用者來說，一款能夠適用與各種地面，復雜地形的助行機器人?？紤]國內(nèi)外這些研究情況結合這次 863 項目的研究和對國內(nèi)助行機器人研究的現(xiàn)狀分析，本次項目打算能夠研制一款助行機器人，能夠適用于室內(nèi)/室外多種地面的移動模式：采用傳感器檢測路面的角度和輪速的變化，進而控制驅動輪的力矩和速度，無論在室內(nèi)的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶均能獲得平穩(wěn)的行走體驗和高效的能源效率。部分助行機器人面向視力受損不過還未完全失明的人，部分面向老年人，主要針對肌肉無力等情況。就目前國外研究情況來看，主要的還是面向殘疾人和一些老年人。本項目研制的助行機器人主要人群針對行走不便、視弱、盲人等的老年人和殘疾人，以日常生活和工作所需要的行走輔助為主要目標。一般助行機器人的速度一般在1m/s 以內(nèi)，速度設計太快的話，一般需要比較大的電機而導致負重太大，而且一般沒必要，因為助行器的作用是輔助人行走， 1m/s 跟人走路的速度其實是差不多的，在之前描述的國內(nèi)外助行機器人中，大部分機器人的設計速度都不快。在本樣機的研制中，綜合考慮了樣機設計的初級階段和項目組的技術能力。一般助行機器人都是需要自帶電池，一般情況下電池不能太重，不然助行器會顯得很笨重，大部分助行器的連續(xù)作業(yè)時間不超過10 小時，本樣機考慮的連續(xù)作業(yè)時間為大概4 小時。助行機器人一般都比較笨重，對于其普及和家用起到一定限制，少部分助行機器人深圳達到100 公斤，顯然對與一般用戶來說有些難以接受。本樣機的設計重量為30 公斤，即助行機器人的機構重量包括電池在內(nèi)不超過30 公斤。1) 助行機器人擬采用便攜式助行器機構設計，采用人體工